專利名稱：發(fā)光二極管照明裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種照明裝置，特別是一種發(fā)光二極管照明裝置，其為一種能調(diào)配垂直方向與水平方向的照度比例，并能避免塵垢堆積的發(fā)光二極管照明裝置。
以往，交通標志燈或路上的高處照明裝置都是用白熾鎢絲燈做光源，但是白熾鎢絲燈不但用電量高，容易燒毀，而必須時常更新，其在陽光照射下更會因反射而造成疑似點燈的現(xiàn)象。而且，白熾鎢絲燈的照明區(qū)域是以燈泡為中心呈上下左右對稱分布，實際上，只有在燈泡中心軸水平線以下的照明區(qū)域才能落入車輛駕駛者或行人的有效視覺范圍內(nèi)時，燈泡向上發(fā)散的光線會形成不必要的浪費，而使燈泡的能源使用效率更差。
發(fā)光二極管因具有單色光、用電量低及壽命長等優(yōu)點，如果能應用為交通標志燈照明裝置的光源，不但可節(jié)省80％以上的電力，降低維修費用，并能避免以往采用白熾鎢絲燈在陽光照射下因反射形成的疑似點燈作用。
然而，由于發(fā)光二極管的輻射功率較小，以往都只應用在短距離照明設備(如面板顯示器或室內(nèi)照明等)，如果要用作室外照明，則須先解決所需照明的距離較長，周圍干擾的光線較多、較亮，以及人眼的解析度有限等問題。
近年來，為了能充分利用發(fā)光二極管本身的優(yōu)異特性，針對發(fā)光二極管在性能及效率等多方面的改進，已可使室外照明裝置采用發(fā)光二極管作為光源。不過，因發(fā)光二極管在發(fā)射角度及強度方面仍具有先天性的限制(原因在于發(fā)光二極管輻射效率較小且輻射形式有限)，所以采用發(fā)光二極管作為交通標志燈照明裝置的光源時，必須以光學方式對發(fā)光二極管光源進行調(diào)制，使發(fā)光二極管發(fā)射的光能重新分配到特定的角度或區(qū)域，以提高光能利用效率及視覺均勻性，并能利用最少數(shù)量的發(fā)光二極管達到如美國運輸工程學會(ITE；Institute ofTransportation Engineers)對于交通標志燈照明裝置所規(guī)定的檢驗標準或其他規(guī)范。
如


圖1、2所示，其為已知的美國專利第5，174，649號“設有折射透鏡的發(fā)光二極管照明裝置”，其是在燈罩10的設計上于入射面100采用許多成形為雙曲面的小透鏡101，并在出射面102設有眾多高低不齊的凸刻面103，發(fā)光二極管104位于各雙曲面的焦點上，所以由發(fā)光二極管104發(fā)散的光源受雙曲面小透鏡101的作用將成平行光束105，平行光束105再由燈罩10出射面102上的凸刻面103傳播分配至不同區(qū)域而造成特定的光強分布。然而，因燈罩10的出射面102設有許多高低不齊的凸刻面103，如果用在室外照明將容易沾附堆積塵垢、污油等其他細碎物質(zhì)，并進而會因污物的遮蔽導致出射光強度減弱與光強度分配不均而影響照明效果、降低光能利用效率。
如圖3所示，美國專利第5，343，330號“可供雙重折射與全反射的立體無像透鏡”，是在照明裝置中設有多個立體透鏡11，并在每個透鏡11上都凹陷形成一容置室110以插入一個發(fā)光二極管。由發(fā)光二極管發(fā)出的光先在透鏡11內(nèi)的折射面111與反射面112依序進行第一次折射及全反射，再由透鏡11出射時經(jīng)折射面113發(fā)生第二次折射以改變光線行進方向及形成聚光效果。然而，因發(fā)光二極管是插設在透鏡11內(nèi)并利用透鏡11進行兩次折射及全反射，所以一方面在透鏡的幾何設計上困難度較高，另一方面因發(fā)光二極管是插設在透鏡11內(nèi)，無法以印刷電路方式相接而必須用電路焊接，因此，加上照明裝置整體所須的發(fā)光二極管數(shù)量極多(一般皆多于100顆)，將使組裝與維修工作非常復雜及不便。
如圖4、5所示，美國專利第5，833，355號“發(fā)光二極管照明燈具總成”，是在燈罩內(nèi)底面設有許多沿水平方向延伸的帶狀形鏡條12，各帶狀形鏡條12皆分為上下兩半部以調(diào)制對應的一排發(fā)光二極管，其中，上半部120是以復合面(平面121加曲面122)成形為整體的柱狀透鏡形式，可供部分發(fā)光二極管發(fā)射的光向下折射，下半部123則分為上下兩區(qū)塊，上區(qū)塊124成形為一個平面或微曲面以供部分發(fā)光二極管發(fā)射的光線穿透，下區(qū)塊125因設有許多沿垂直方向延伸的細槽126成形為具有眾多微小柱狀透鏡的形式，可供調(diào)制水平方向的配光。在此，因受帶狀形鏡條12的幾何外形限制，可利用的設計自由度較少，不易針對使用者需求得到有效的配光效果，而且，帶狀型鏡條12的上半部120成形單一柱狀透鏡，其只能在單方向(即垂直方向)具有影像放大作用，所以人眼視覺成像的美觀性較差。
本實用新型的目的在于提供一種可調(diào)變對應發(fā)光源在垂直方向的折射角度及在水平方向的發(fā)散角度，以使發(fā)光源的出射光線能分別照射至特定區(qū)域而調(diào)配在垂直方向與水平方向的光強分布，能提高發(fā)光源的光利用效率的發(fā)光二極管照明裝置。
本實用新型的另一目的在于提供一種使光學設計自由度較高及使視覺成像效果更佳的發(fā)光二極管照明裝置。
本實用新型的再一目的在于提供一種使燈罩出射面能避免塵垢堆積，容易維持光潔，而不會因污物降低照明效果的發(fā)光二極管照明裝置。
為達到上述目的，本實用新型采取以下技術(shù)措施本實用新型的發(fā)光二極管照明裝置，在底座上依序設有一個電路板與一個燈罩，在電路板面對燈罩的一側(cè)面上設有多個整齊排列的發(fā)光二極管，燈罩面對發(fā)光二極管的一側(cè)面是入射面，與入射面相對的另一側(cè)面是出射面，其特征在于燈罩的入射面上設有光學調(diào)制元件，光學調(diào)制元件在面對發(fā)光二極管的一側(cè)，沿垂直方向設有傾斜角度相異且于水平方向保持同一曲率的多個彎弧形折面部，沿水平方向設有連續(xù)排列的多個柱狀部。
其中所述光學調(diào)制元件的柱狀部成形沿水平方向自兩側(cè)向中央曲率漸減，并呈連續(xù)排列。
其中所述光學調(diào)制元件包括一個第一鏡塊，所述多個折面部設在第一鏡塊面對發(fā)光二極管的一側(cè)，且沿垂直方向逐漸變化傾斜角度，所述多個柱狀部沿水平方向自兩側(cè)向中央曲率漸減，折面部與柱狀部交互重疊。
其中所述第一鏡塊的外形為等六邊形。
其中所述光學調(diào)制元件還包括一個第二鏡塊與一個透光板，第二鏡塊在面對所述發(fā)光二極管的一側(cè)設有多個沿垂直方向漸次變化傾斜角度，且于水平方向保持同一曲率的彎弧形折面部，透光板在面對發(fā)光二極管的一側(cè)設有多個沿水平方向連續(xù)排列并由兩側(cè)向中央曲率漸減的柱狀部。
其中所述透光板呈平薄板狀。
其中所述光學調(diào)制元件包括一個第二鏡塊與一個穿透式線性光柵，所述折面部設在第二鏡塊在面對發(fā)光二極管的一側(cè)，且沿垂直方向逐漸變化傾斜角度，透式線性光柵設有多條沿水平方向連續(xù)排列并保持相等間距的直線形光柵條紋。
其中所述燈罩的出射面成形有一光滑面。
其中所述燈罩的出射面成形為具有弧度的光滑曲面。
其中所述光學調(diào)制元件分別與所述電路板上的至少一個發(fā)光二極管相對應。
其中所述光學調(diào)制元件呈緊密排列。
其中所述光學調(diào)制元件的外形呈等六邊形。
由于，本實用新型的發(fā)光二極管照明裝置中各光學調(diào)制元件在面對發(fā)光二極管的一側(cè)沿垂直方向設有傾斜角度逐漸變化且于水平方向保持相同曲率的多個彎弧形折面部，并沿水平方向設有多數(shù)個連續(xù)排列的柱狀部。因此，當光線由發(fā)光二極管發(fā)出并入射至燈罩時，借由各光學調(diào)制元件的折面部與柱狀部能分別調(diào)制光線由燈罩出射面出射時在垂直方向與水平方向的照度比例，其整體的光能利用率將可大幅提高。
其中，各光學調(diào)制元件也可針對照明裝置的特殊功能性需求，而進一步調(diào)整各折面部沿垂直方向的傾斜角度及各柱狀部沿水平方向的曲率變化。所以各光學調(diào)制元件在光學設計上自由度極高，且其搭配垂直方向與水平方向的二維空間設計也將可獲得較為均勻、美觀的視覺成像效果。
由于，本實用新型燈罩的出射面成形為一光滑面，燈罩出射面上不易堆積塵垢、污物，由光學調(diào)制元件調(diào)制產(chǎn)生的良好照明效果就不會受到減損。
下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型的發(fā)光二極管照明裝置進行詳細說明，附圖中
圖1美國第5，174，649號專利發(fā)光二極管照明裝置使用時的光徑頂視圖。
圖2
圖1中設有折射透鏡的發(fā)光二極管照明裝置使用時的光徑側(cè)視圖。
圖3美國第5，343，330號專利在使用時的光徑側(cè)視圖。
圖4美國第5，833，355號專利的帶狀形鏡條的部分立體示意圖。
圖5圖4的發(fā)光二極管照明燈具總成使用時的光徑側(cè)視圖。
圖6本實用新型第一實施例的立體分解示意圖。
圖7圖6的立體組合圖。
圖8圖6中部分發(fā)光二極管與鏡塊相對應的放大示意圖。
圖9圖8中鏡塊的折面部對光源造成垂直方向調(diào)制效果的立體示意圖。
圖10圖8中鏡塊的柱狀部對光源造成水平方向調(diào)制效果的立體示意圖。
圖11本實用新型第二實施例的部分立體分解圖(是就光學調(diào)制元件加以變化的另一實施例)。
圖12本實用新型第三實施例的部分立體分解圖(是就光學調(diào)制元件加以變化的又一實施例)。
如圖6所示，本實用新型的第一實施例是在一底座2上依序設有一電路板3與一燈罩4，燈罩4內(nèi)設有多個光學調(diào)制元件5且底座2、電路板3與燈罩4是以多個組配元件6穿接連接。
底座2大體成形為喇叭狀而具有一擴大端部20，端部20沿中央處設有一開口21，端部20沿開口21周圍的壁面22上設有多個組配孔23。
電路板3對應組配孔23處設有多個穿孔30，電路板3在面對燈罩4的側(cè)面31上裝設有多個整齊排列的發(fā)光二極管32，以作為發(fā)光源。在本實施例中，發(fā)光二極管32是采用60度發(fā)散角的型式，其光強分布約有80％的光能集中在45度發(fā)散角內(nèi)，所以在實施例說明上也是主要針對45度發(fā)散角內(nèi)的光學調(diào)制效果加以說明。
燈罩4配合組配孔23與穿孔30處設有多個組配部40，組配部40、穿孔30與組配孔23可利用組配元件6穿接相連，并且燈罩4大體是成形為短圓筒狀，其在面對發(fā)光二極管32的一側(cè)是向內(nèi)凹陷作為入射面41，而在相對入射面41的反側(cè)則作為出射面42，在此，為了確保出射面42在使用時不易堆積、沾附塵垢污物，而能維持光潔甚至增加照明效果，將出射面42成形為一光滑面，并且，在可達到所需照明效果的前提下，出射面42更可采用光滑平面或光滑曲面的任一種形式，而具有較大的設計自由度。
該多個光學調(diào)制元件5配設在燈罩4的入射面41，而分別對應電路板3的至少一個發(fā)光二極管32，在此，以一個發(fā)光二極管32對應一個光學調(diào)制元件5較佳。而且，各光學調(diào)制元件5在面對發(fā)光二極管32的一側(cè)是沿垂直方向設有多個傾斜角度相異且于水平方向保持相同曲率的彎弧形折面部50，并且沿水平方向設有多個連續(xù)排列且曲率可相同，也可不同的柱狀部51，光學調(diào)制元件5在折面部50與柱狀部51的配合上，可如圖6與圖8所示(第一實施例)采取一體成型而利用單一構(gòu)件達到雙重調(diào)制效果，也可如
圖11與
圖12所示(分別為第二、三實施例)采取分離設計方式而將折面部50與柱狀部51分別由兩個不同構(gòu)件提供。而且，各折面部50相對于垂直方向的傾斜角度及各柱狀部51本身的曲率與彼此間曲率的關系，更可因應產(chǎn)品的功能需求而調(diào)整變化，也就是說，為了達到特定的照明效果，光學調(diào)制元件5的光學設計并不限于如圖6所示的沿垂直方向遞減(也可遞增)變化，各折面部50的傾斜角度，也不限于沿水平方向由兩側(cè)向中央漸減各柱狀部51的曲率，設計者可充分運用折面部50與柱狀部51的光學特性加以適當搭配而享有極高的設計自由度。另外，為了能充分運用入射面41的空間，光學調(diào)制元件5的形狀還可進一步采取等六邊形，以利于光學調(diào)制元件5在布設時能彼此緊密鄰接，致使入射面41的馀縫最少而空間利用率最高。
組合時，如圖6所示，先使已配設有多個發(fā)光二極管32的電路板3以穿孔30對應底座2的組配孔23，將電路板3以與側(cè)面31相對的反側(cè)面對應置設于壁面22上而封閉開口21。然後，使已布設有多個光學調(diào)制元件5的燈罩4以組配部40對應穿孔30及組配孔23，并將燈罩4以入射面41對應覆蓋電路板3而罩設在底座2的端部20。最後，再利用多個組配元件6(在此是使用螺栓)將底座2、電路板3與燈罩4穿接連成一體，如圖7所示。
如圖8所示，其為本實用新型將各光學調(diào)制元件5的折面部50與柱狀部51一體成型于一個第一鏡塊52上的第一實施例，其中，第一鏡塊52沿垂直方向設有傾斜角度呈多階段逐漸變化，且各階段在水平方向保持同一曲率的彎弧形折面部50，并沿水平方向設有連續(xù)排列且曲率相異的多階段凸曲面柱狀部51，該等折面部50與柱狀部51彼此間乃相互交錯重疊，所以第一鏡塊52整體是由許多具有垂直方向傾斜面與水平方向柱狀曲面的入光區(qū)塊520所組成。
一并參考圖8至
圖10，由前述說明已知，本實施例主要是在調(diào)制80％的光能集中在45度發(fā)散角內(nèi)的發(fā)光二極管32的配光效果，所以，當發(fā)光二極管32發(fā)光源(指45度發(fā)散角內(nèi)的部分)沿垂直方向的上半部光束與下半部光束分別為向上發(fā)散與向下發(fā)散而不落入駕車者或行人可見的有效照明范圍內(nèi)，即須調(diào)制發(fā)光二極管32發(fā)光源的上半部光束使其下折及調(diào)制其下半部光束使其上折，基于此點，在第一鏡塊52沿垂直方向由上而下設有五階段彎弧形折面部500、501、502、503與504時，折面部500～504的傾斜角度(以φ表示)，就須為由上而下逐漸變小，如圖9所示的φ1＞φ2＞φ3＞φ4＞φ5。并且，為了更美化人眼視覺成像效果及增加水平方向的發(fā)散角(即擴大視角)，在第一鏡塊52沿水平方向由左而右設有九階段柱狀部510、511、512、513、514、515、516、517與518時，柱狀部510～518的曲率(以c表示)，即須為由兩側(cè)向中央逐漸減小，如
圖10所示的c1＞c2＞c3＞c4＞c5，及c9＞c8＞c7＞c6＞c5。所以，利用第一鏡塊52在各入光區(qū)塊520皆具有特定傾斜角度與曲率的特性，將發(fā)光二極管32發(fā)光源的光束導引至特定區(qū)域而重新調(diào)配垂直方向與水平方向照度比例，以充分利用光能、產(chǎn)生最佳的照明效果。
如
圖11所示，其為本實用新型的第二實施例，其與前述第一實施例的不同處在于光學調(diào)制元件5的折面部50與柱狀部51并非一體成型為單一構(gòu)件，而是采兩個構(gòu)件分離設計方式，由一第二鏡塊53與一透光板54所組成。第二鏡塊53在面對發(fā)光二極管32的一側(cè)設有多個沿垂直方向逐漸變化傾斜角度且于水平方向保持同一曲率的彎弧形折面部50(圖中以五階段折面部500～504為例表示)，透光板54整體成形為平薄板狀，并在面對發(fā)光二極管32的一側(cè)設有多個沿水平方向連續(xù)排列且由兩側(cè)向中央漸減曲率的柱狀部51(在此以多階段具有適當曲率的柱狀部540構(gòu)成)。并且，因第二鏡塊53與透光板54為兩個各具特定功能的獨立構(gòu)件，所以，在應用時就算變換第二鏡塊53與透光板54的空間配置形式仍可產(chǎn)生相同的光學調(diào)制效果，換句話說，在使用配置上可如
圖11所示，先使發(fā)光二極管32的光束通過第二鏡塊53，再穿過透光板54，也可調(diào)整第二鏡塊53與透光板54的相對位置，使發(fā)光二極管32發(fā)光源的光束先穿經(jīng)透光板54再由第二鏡塊53調(diào)制配光效果，所以，其光學設計自由度較好。
如
圖12所示，其為本實用新型的第三實施例，其與前述第二實施例相同，都是采用光學調(diào)制元件5由兩構(gòu)件分離設計組成的形式，但是，光學調(diào)制元件5包括第二鏡塊53與一穿透式線性光柵55。第二鏡塊53在面對發(fā)光二極管32的一側(cè)同樣設有多個沿垂直方向逐漸變化傾斜角度且于水平方向保持同一曲率的彎弧形折面部50(也是以五階段折面部500～504為例)，穿透式線性光柵55則沿水平方向設有多條連續(xù)排列并成相等距離間隔的直線形光柵條紋550，兩兩相鄰的光柵條紋550間即形成柱狀部551而可提供光學調(diào)制元件5的柱狀部51的配光效果。另外，由于穿透式線性光柵55實際上是利用光學繞射原理產(chǎn)生類似第一鏡塊5或透光板54的光學折射現(xiàn)象，所以在使用時并非以變化柱狀部551的曲率形成特定配光效果，而是針對特定的功能需求使用具有特殊條紋間距的穿透式線性光柵55。
除此之外，在本實施例中采用60度發(fā)散角的發(fā)光二極管并主要是針對45度發(fā)散角內(nèi)的80％光能加以調(diào)制的情況下，由發(fā)光二極管所發(fā)出的位于45度發(fā)散角外的20％光能不加以調(diào)制而任其自由發(fā)散穿透光學調(diào)制元件5，借此，發(fā)光二極管發(fā)光源位在45度發(fā)散角內(nèi)的最強光束(達80％光能)將可受光學調(diào)制元件5充分調(diào)制配光效果而達最佳光能利用率，其剩馀的20％光能則可蓋滿光學調(diào)制元件5整體而能減少局部亮點的負面影響。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下效果本實用新型借由在燈罩的入射面上對應發(fā)光二極管設有多個能調(diào)制垂直方向及水平方向光強分布的光學調(diào)制元件，可提高其光能利用效率，而且，各光學調(diào)制元件在面對發(fā)光二極管發(fā)光源的一側(cè)沿垂直方向與水平方向分別設有傾斜角度相異的折面部與連續(xù)排列的柱狀部，在光學配置上具有極佳的設計自由度，且能使人眼視覺成像效果更為美化，并且，燈罩的出射面上成形為光滑面狀，更能避免塵垢堆積、容易維持光潔，而不致因沾附污物降低照明效果。
權(quán)利要求1．一種發(fā)光二極管照明裝置，在底座上依序設有一個電路板與一個燈罩，在電路板面對燈罩的一側(cè)面上設有多個整齊排列的發(fā)光二極管，燈罩面對發(fā)光二極管的一側(cè)面是入射面，與入射面相對的另一側(cè)面是出射面，其特征在于燈罩的入射面上設有光學調(diào)制元件，光學調(diào)制元件在面對發(fā)光二極管的一側(cè)，沿垂直方向設有傾斜角度相異且于水平方向保持同一曲率的多個彎弧形折面部，沿水平方向設有連續(xù)排列的多個柱狀部。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管照明裝置，其特征在于所述光學調(diào)制元件的柱狀部成形沿水平方向自兩側(cè)向中央曲率漸減，并呈連續(xù)排列。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管照明裝置，其特征在于所述光學調(diào)制元件包括一個第一鏡塊，所述多個折面部設在第一鏡塊面對發(fā)光二極管的一側(cè)，且沿垂直方向逐漸變化傾斜角度，所述多個柱狀部沿水平方向自兩側(cè)向中央曲率漸減，折面部與柱狀部交互重疊。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管照明裝置，其特征在于所述第一鏡塊的外形為等六邊形。
5．根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管照明裝置，其特征在于所述光學調(diào)制元件還包括一個第二鏡塊與一個透光板，第二鏡塊在面對所述發(fā)光二極管的一側(cè)設有多個沿垂直方向漸次變化傾斜角度，且于水平方向保持同一曲率的彎弧形折面部，透光板在面對發(fā)光二極管的一側(cè)設有多個沿水平方向連續(xù)排列并由兩側(cè)向中央曲率漸減的柱狀部。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管照明裝置，其特征在于所述透光板呈平薄板狀。
7．根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管照明裝置，其特征在于所述光學調(diào)制元件包括一個第二鏡塊與一個穿透式線性光柵，所述折面部設在第二鏡塊在面對發(fā)光二極管的一側(cè)，且沿垂直方向逐漸變化傾斜角度，透式線性光柵設有多條沿水平方向連續(xù)排列并保持相等間距的直線形光柵條紋。
8．根據(jù)權(quán)利要求1或3或5或7所述的發(fā)光二極管照明裝置，其特征在于所述燈罩的出射面成形有一光滑面。
9．根據(jù)權(quán)利要求1或3或5或7所述的發(fā)光二極管照明裝置，其特征在于所述燈罩的出射面成形為具有弧度的光滑曲面。
10．根據(jù)權(quán)利要求1或3或5或7所述的發(fā)光二極管照明裝置，其特征在于所述光學調(diào)制元件分別與所述電路板上的至少一個發(fā)光二極管相對應。
11．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管照明裝置，其特征在于所述光學調(diào)制元件呈緊密排列。
12．根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管照明裝置，其特征在于所述光學調(diào)制元件的外形呈等六邊形。
專利摘要一種發(fā)光二極管照明裝置,在一個底座上依序設有一個電路板與一個燈罩,在電路板面對燈罩的一側(cè)面上設有整齊排列的發(fā)光二極管;燈罩的入射面上設有光學調(diào)制元件,光學調(diào)制元件面對發(fā)光二極管的一側(cè),沿垂直方向設有傾斜角度相異,在水平方向保持同一曲率的多個彎弧形折面部,沿水平方向設有連續(xù)排列的多個柱狀部。本發(fā)光二極管照明裝置可調(diào)配光線出射時在垂直與水平方向的照度比例,燈罩的出射面上成形為光滑面,能避免塵垢堆積。
文檔編號F21S2/00GK2420491SQ0020915
公開日2001年2月21日 申請日期2000年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月12日
發(fā)明者謝啟堂, 黃博亮, 林長青 申請人:華錦光電科技股份有限公司